李 芳，顧正聰，姜言欣

(云南湖柏環(huán)?？萍加邢薰荆颇?昆明 650228)

0 引言

以某化工企業(yè)化學(xué)肥料生產(chǎn)項(xiàng)目為例，采用FeFlow軟件對(duì)污染物進(jìn)入地下水后造成的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律和遷移特征進(jìn)行分析，對(duì)區(qū)域地下水影響程度的分析有著重要意義，同時(shí)也為項(xiàng)目地下水污染防滲措施提供相關(guān)依據(jù)。

1 研究項(xiàng)目區(qū)概況

1.1 項(xiàng)目概況

研究項(xiàng)目在現(xiàn)有廠區(qū)內(nèi)建設(shè)，產(chǎn)品為化學(xué)肥料，原輔材料涉及磷酸，暫存于裝置區(qū)內(nèi)磷酸儲(chǔ)槽。擬建廠址位于劃定的工業(yè)園區(qū)，下游約3.18km有集中式飲用水供水井。

1.2 項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)概況

1.2.1 項(xiàng)目區(qū)底層巖性

1.2.2 項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，項(xiàng)目區(qū)及周邊內(nèi)的地下水類型可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。

項(xiàng)目區(qū)西側(cè)巖溶水主要接受大氣降水補(bǔ)給，總體上由西南向東北徑流，在草鋪鎮(zhèn)與青龍哨之間形成Ⅱ28青龍哨富水塊段，屬于斷塊溶蝕潛流坡地型富水塊段，多為第四系沖積層所覆蓋，富水性較強(qiáng)。

青龍哨富水塊段地下水類型以巖溶水為主，裂隙水賦存量少，含水層巖性主要為寒武系漁戶村組(C1y4-5)、震旦系燈影組(Zbdn)白云質(zhì)硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰質(zhì)白云巖，為巖溶化中山。排泄區(qū)為強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)，補(bǔ)給、徑流區(qū)為中等巖溶發(fā)育區(qū)；碎屑巖分布區(qū)為侵蝕中山地貌。其補(bǔ)給徑流區(qū)巖溶裂隙中等發(fā)育，且較均一，地表以溶溝、溶槽為主，地下以溶隙為主，地表徑流差，補(bǔ)給條件中等。地下水賦存于呈網(wǎng)狀交織的溶隙中，循環(huán)交替緩慢，泉水流量為4～43L/s。

青龍哨富水塊段內(nèi)(Ⅱ28)巖溶水主要接受西側(cè)巖溶水的側(cè)向補(bǔ)給和第四系松散層孔隙水的垂向補(bǔ)給，地下水總體上由東南向西北徑流排泄，主要向青龍哨集中供水井和青龍哨龍?zhí)稄搅髋判埂?/p>

2 數(shù)值模型建立

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)模擬計(jì)算范圍主要為青龍哨水文地質(zhì)單元內(nèi)碳酸鹽巖含水層出露及埋藏區(qū)。模擬計(jì)算區(qū)域西側(cè)和西南側(cè)以地下水分水嶺為界，北側(cè)以祿脿-溫泉-宗魯箐斷裂(F1)為界，東側(cè)以擬建項(xiàng)目廠界外約2km為界，南側(cè)以廠界外約1.3km為界。

根據(jù)確定的模擬區(qū)范圍，模擬區(qū)西側(cè)和西南側(cè)、北側(cè)、東側(cè)概化為隔水邊界，南側(cè)概化為定流量邊界。模擬計(jì)算區(qū)域內(nèi)2號(hào)水井、下游集中供水井、龍?zhí)妒悄M范圍內(nèi)主要的地下水排泄點(diǎn)，概化為井邊界。模擬區(qū)水文地質(zhì)概念模型圖見圖1。

2.2 數(shù)學(xué)模型和軟件選擇

2.2.1 地下水流數(shù)學(xué)模型

假定評(píng)價(jià)區(qū)為非均質(zhì)各向異性，則三維地下水流非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：Ω為滲流區(qū)域；h為含水層的水位標(biāo)高(m)；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)(m/d)；μ為潛水含水層中潛水面上的重力給水度；ε為含水層的源匯項(xiàng)(1/d)；h0為含水層的初始水位分布(m)；Γ1為滲流區(qū)域的二類邊界，包括承壓含水層底部隔水邊界和滲流區(qū)域的側(cè)向流量或隔水邊界；n為邊界面的法向方向；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)(m/d)；q(x,y,z,t)為定義為二類邊界的單位面積流量(m/d)，流入為正、流出為負(fù)、隔水邊界為0；Γ1為定流量邊界。

2.2.2 污染物運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

溶質(zhì)在地下水中的運(yùn)移符合Fick定律，評(píng)價(jià)區(qū)的潛水污染數(shù)學(xué)模型由地下水水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程耦合而成，即

式中：Dx、Dy、Dz為x、y、z方向的彌散系數(shù)；ux、uy、uz分別為x,y,z方向的流速分量；C為溶質(zhì)濃度；I為溶質(zhì)源匯項(xiàng)。方程右端前三項(xiàng)表示擴(kuò)散效應(yīng)引起的溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)，中間三項(xiàng)為水流引起的運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 模擬軟件選取

采用FeFlow(Finite Element Subsurface Flow System)軟件模擬污染物在潛水含水層的遷移情況，為污染源的防滲措施提供相關(guān)依據(jù)。FeFlow軟件是德國(guó)WASY水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所于20世紀(jì)70年代末開發(fā)的數(shù)值模擬軟件，是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一，具有快速精確數(shù)值法、先進(jìn)的圖形可視化技術(shù)等特點(diǎn)。

2.2.4 模型參數(shù)取值

(1)滲透系數(shù)

引用項(xiàng)目周邊區(qū)域鉆孔的注水和抽水試驗(yàn)結(jié)果，灰?guī)r層的滲透系數(shù)為0.15～2.6m/d。

(2)降雨量

年平均降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自項(xiàng)目區(qū)氣象站多年的常規(guī)氣象觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為898.7mm。

(3)彌散度

成建梅收集了大量國(guó)內(nèi)外在不同試驗(yàn)尺度下和實(shí)驗(yàn)條件下分別運(yùn)用解析方法和數(shù)值方法所得的縱向彌散度資料[2]。Zech等系統(tǒng)研究分析了最近50年全世界各地不同試驗(yàn)含水層和場(chǎng)地試驗(yàn)中彌散度和尺度、相關(guān)長(zhǎng)度及非均質(zhì)特征之間的關(guān)系并重新評(píng)估了彌散度與尺度關(guān)系，如圖2所示[3]。從圖中可以看出彌散度在千米尺度范圍漸近于10m。因此，結(jié)合本次模擬范圍，東西長(zhǎng)約7.2km，南北長(zhǎng)約6.6km，面積約43.86km2，對(duì)照?qǐng)D3所屬的尺度范圍，縱向彌散度取10m，橫向彌散度取1m。

3 初始邊界條件及模型識(shí)別與檢驗(yàn)

3.1 區(qū)域離散

計(jì)算區(qū)域以項(xiàng)目所在地中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，正北方向?yàn)閥軸正向，正東方向?yàn)閤軸正向，垂直向上為z軸正向，垂向上考慮5大層，將模擬區(qū)域離散為個(gè)386574節(jié)點(diǎn)，643630個(gè)單元，區(qū)域剖分圖見圖3。

3.2 邊界條件

邊界條件：模擬區(qū)在自然條件下西側(cè)和西南側(cè)、北側(cè)、東側(cè)概化為隔水邊界；南側(cè)概化為定水頭邊界；公司2號(hào)水井、青龍哨集中供水井、青龍哨龍?zhí)陡呕癁榫吔?；頂部接受降水量的補(bǔ)給。

3.3 模型識(shí)別與檢驗(yàn)

采用周邊地下水1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)井，1、2、3、4號(hào)水井，集中供水井，龍?zhí)兜乃蛔鳛槌跏妓唬@得初始的地下水等水頭線分布圖(圖4)。項(xiàng)目區(qū)地下水1號(hào)監(jiān)測(cè)井、2號(hào)水井的水位作為模型識(shí)別和檢驗(yàn)水位，水位觀測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比分析詳見表1。

表1 地下水1號(hào)監(jiān)測(cè)井、2號(hào)水井水位觀測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比分析情況表 (m)

從圖4和表1可看出巖溶水流場(chǎng)總體擬合情況較好，總體模擬流場(chǎng)特征和實(shí)際觀測(cè)流場(chǎng)接近，所建模型能整體反應(yīng)區(qū)域的水文地質(zhì)特征，可用于溶質(zhì)或污染物遷移的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

4 地下水污染物模擬預(yù)測(cè)

4.1 模擬預(yù)測(cè)情景設(shè)置

研究項(xiàng)目裝置區(qū)內(nèi)設(shè)置有磷酸儲(chǔ)槽，廢水收集槽，根據(jù)對(duì)照分析，模擬預(yù)測(cè)情景設(shè)置為原料磷酸儲(chǔ)槽防滲層發(fā)生破裂，持續(xù)向地下水中排放磷酸。磷酸中污染物氟化物的濃度相對(duì)較高，將氟化物作為預(yù)測(cè)因子，預(yù)測(cè)源強(qiáng)約為34400mg/L。

4.2 模擬條件概化

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)污染源分布情況和污染物性質(zhì)，考慮到磷酸儲(chǔ)槽為地下槽，防滲層發(fā)生破裂后不易被發(fā)現(xiàn)，將污染源視為持續(xù)釋放的點(diǎn)源，對(duì)污染物進(jìn)行正向推算，分別預(yù)測(cè)計(jì)算1a、5a、10a、20a后污染物的最大遷移擴(kuò)散距離和遷移擴(kuò)散范圍。

4.3 預(yù)測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)

將污染源強(qiáng)排放數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，以《GB/T 14848-2017地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中氟化物III類標(biāo)準(zhǔn)1.0mg/L為包絡(luò)線，預(yù)測(cè)磷酸儲(chǔ)槽泄漏導(dǎo)致磷酸持續(xù)進(jìn)入含水層中，運(yùn)移1a、5a、10a、20a后，磷酸中的氟化物在地下水中的最大運(yùn)移距離和擴(kuò)散面積見圖5～圖8，表2。

表2 各預(yù)測(cè)時(shí)段氟化物運(yùn)移情況

根據(jù)圖5～圖8及表2預(yù)測(cè)結(jié)果分析，當(dāng)磷酸發(fā)生滲漏進(jìn)入地下水中持續(xù)滲漏入含水層，運(yùn)移1a、5a、10a、20a后，地下水環(huán)境受氟化物影響的最大距離分別約為79.2m、185.1m、296.6m、546.9m，最大擴(kuò)散范圍分別約為784.31m2、3137.25m2、13333.33m2、25098.04m2、62745.10m2。

項(xiàng)目距下游集中供水井約3.18km，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，磷酸向地下水中持續(xù)滲漏20a，氟化物最大影響距離為546m，基本不會(huì)對(duì)下游集中供水井造成不利影響。

5 結(jié)論

本文以某化工企業(yè)化學(xué)肥料制造項(xiàng)目為例，采用FeFlow軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方法，預(yù)測(cè)項(xiàng)目磷酸儲(chǔ)槽防滲層發(fā)生破裂，磷酸持續(xù)向地下水中滲漏的情景下，磷酸中氟化物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律和濃度分布情況。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，以《GB/T 14848-2017地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中氟化物III類標(biāo)準(zhǔn)1.0mg/L為包絡(luò)線，當(dāng)磷酸儲(chǔ)槽發(fā)生泄漏磷酸持續(xù)向地下水中滲漏20a后，氟化物最大超標(biāo)距離為546.9m，基本不會(huì)對(duì)項(xiàng)目區(qū)下游3.18km處的集中供水井產(chǎn)生不利影響。

綜上，采用FeFlow軟件進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算，可以客觀的分析污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律及影響程度，也可以為項(xiàng)目地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。